張 偉，倪 彬，劉曉明

(1.西安有色冶金設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710001；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

空區(qū)處理與隱患資源開采協(xié)同技術(shù)研究與應(yīng)用

張 偉1，倪 彬1，劉曉明2

(1.西安有色冶金設(shè)計(jì)研究院， 陜西 西安 710001；2.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

采用phase2數(shù)值模擬軟件分別建立了某礦山4575 m中段平面和7#勘探線剖面兩個(gè)數(shù)值分析模型，對(duì)采場(chǎng)開采過程中圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。在此基礎(chǔ)上引入?yún)f(xié)同理論，開展隱患資源開采與空區(qū)處理的協(xié)同技術(shù)研究，根據(jù)不同的礦體產(chǎn)狀、圍巖受力性質(zhì),選擇不同的采場(chǎng)回采與空區(qū)處理方案。研究表明，數(shù)值分析與協(xié)同技術(shù)的綜合利用，可為類似礦山進(jìn)行高效、安全開采提供指導(dǎo)。

空區(qū)處理；隱患資源；數(shù)值模擬；協(xié)同技術(shù)

隨著全球礦產(chǎn)資源爭奪的進(jìn)一步升級(jí)，占到我國有色金屬資源的1/3的采空區(qū)隱患資源日益受到世人關(guān)注，已成為我國礦業(yè)發(fā)展的重要接替資源[1]。而以往人們將空區(qū)處理和采空區(qū)處理看作是一對(duì)矛盾，通常分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、施工。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到采空區(qū)的利用價(jià)值，并將空區(qū)處理和隱患資源的開采結(jié)合起來進(jìn)行研究，引入了協(xié)同理論，在處理空區(qū)的同時(shí)考慮空區(qū)的再利用以及隱患資源的回收[2]。

本文通過對(duì)某礦山空區(qū)處理方案的選擇研究，引入了空區(qū)處理與隱患資源開采協(xié)同技術(shù)，在采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)空區(qū)位置、類型、穩(wěn)定程度提出了采空區(qū)處理方案。

1 礦山概況

該礦為一鉛鋅多金屬礦床，主要賦存于下侏羅統(tǒng)日當(dāng)組第四巖性段含碳鈣質(zhì)板巖夾褐黃色鈣質(zhì)砂巖中，礦體的產(chǎn)出嚴(yán)格地受控于構(gòu)造破碎帶。礦體呈層狀、似層狀或透鏡狀產(chǎn)出，局部有膨縮變化，礦體產(chǎn)狀與構(gòu)造破碎帶產(chǎn)狀基本一致，傾向西，傾角在45°～70°之間變化。走向長度約1200 m，傾向方向延深約800 m。礦體平均真厚度10.22 m，厚度變化系數(shù)71.09%，屬于較穩(wěn)定型。礦體Pb平均品位為1.85%，品位變化系數(shù)為216.80%，Zn平均品位為3.11%，品位變化系數(shù)為153.34%，屬礦化較均勻型。

礦體均賦存于構(gòu)造破碎帶內(nèi)，礦體兩側(cè)圍巖均為下侏羅統(tǒng)日當(dāng)組第四巖性段(J1r4)的灰黑色頁巖和鈣質(zhì)板巖，局部有少量凝灰?guī)r。圍巖地層產(chǎn)狀為傾向25°～30°，傾角20°左右，礦體斜切圍巖地層產(chǎn)出。

該礦山前期采用淺孔留礦法回采，頂柱高4～6 m，間柱8 m，4670 m中段為普通漏斗底部結(jié)構(gòu)，底柱高6 m，其他中段為平底底部結(jié)構(gòu)。

礦體產(chǎn)于板理化碳質(zhì)板巖、頁巖的構(gòu)造破碎帶中，雖然圍巖存在較強(qiáng)的硅化，但范圍有限，頁巖、板巖屬于軟質(zhì)巖石，其抗壓強(qiáng)度在270～300 kPa，由于斷層構(gòu)造的破壞作用使得頁巖、板巖節(jié)理、裂隙很發(fā)育，其力學(xué)性能變差，目前礦山采空區(qū)部分已坍塌。

礦山采空區(qū)情況詳細(xì)見圖1。

2 空區(qū)穩(wěn)定性分析

目前可用于巖層移動(dòng)與破裂研究的數(shù)值計(jì)算方法主要包括兩類：一類是建立在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)上的數(shù)值計(jì)算方法，諸如有限單元法[3]、邊界單元法等；另一類則是通常所說的非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析方法，其中最具代表性的當(dāng)屬離散元方法。對(duì)該礦山采用二維有限元計(jì)算模型并運(yùn)用二維有限元軟件Phase2來進(jìn)行模擬分析[4]。

圖1礦山采空區(qū)縱投影

2.1 建模與力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算模型的范圍選取在最低開采中段4575 m和7號(hào)勘探線剖面，建立了兩個(gè)數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算模型的參數(shù)見表1，數(shù)值模擬模型分別見圖2和圖3。

數(shù)值分析模型巖體力學(xué)參數(shù)見表2。

“張仲平一定不想讓很多人知道我們之間的交易吧？要債的馬上要來，我是一定會(huì)和他們拼命的，萬一我們同歸于盡了，你的錢包可就給張仲平惹禍了。你沒想到這一點(diǎn)嗎？”

表1 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬模型1

圖3 數(shù)值模擬模型2

介質(zhì)容重/(MN/m3)抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)摩擦角/(°)彈性模量/GPa泊松比碳質(zhì)板巖2.6549.41.8606.160.28礦石3.3601.435100.2砂巖2.652514580.18

2.2 4575中段平面采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

模擬4757中段自南向北逐采場(chǎng)進(jìn)行開采后圍巖的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)情況，截取部分分布云圖見圖4～圖7。

圖4 4575-8采場(chǎng)回采后最大主應(yīng)力分布

圖5 4575-8采場(chǎng)回采后最小主應(yīng)力分布

圖6 4575-8采場(chǎng)回采后位移分布

通過對(duì)該礦8個(gè)采場(chǎng)分步回采模擬分析，得出以下結(jié)論：

圖7 4575-8采場(chǎng)回采后塑性區(qū)分布

(1) 最大主應(yīng)力多集中在采場(chǎng)四周端角處，隨著采場(chǎng)的回采，σ1也隨著增加，最大值由7 MPa增加到72 MPa；

(2) 最小主應(yīng)力在5 MPa左右，最大值16.1 MPa，頂?shù)装寰植康囟纬霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，最大值為-0.7 MPa。

(3) 采場(chǎng)頂?shù)装逦灰齐S著采場(chǎng)回采不斷增加，最大值為96 mm。

(4) 采場(chǎng)兩端出現(xiàn)塑性區(qū)，隨著采場(chǎng)的依次回采，塑性區(qū)逐步擴(kuò)大，至回采4575-5采場(chǎng)后，塑性區(qū)發(fā)生急劇變化，部分采場(chǎng)塑性區(qū)已經(jīng)連通或即將連通，局部地段巖石破壞，出現(xiàn)開裂，隨著開采的繼續(xù)向下，塑性區(qū)范圍越來越大，采場(chǎng)上下盤破壞明顯。

2.3 7號(hào)勘探線剖面采場(chǎng)穩(wěn)定性數(shù)值模擬與分析

模擬7號(hào)勘探線，由高到低逐中段回采后圍巖的應(yīng)力、位移及塑性區(qū)情況，截取部分分布云圖見圖8～圖11。

圖8 4575-2采場(chǎng)回采后最大主應(yīng)力分布

通過對(duì)該礦中段采場(chǎng)分步回采的模擬分析，得出以下結(jié)論：

(1) 最大主應(yīng)力多集中在采場(chǎng)四周端角處，隨著采場(chǎng)的回采，σ1也隨著增加，最大值由10.8 MPa增加到46 MPa；

圖9 4575-2采場(chǎng)回采后最小主應(yīng)力分布

圖10 4575-2采場(chǎng)回采后位移分布

圖11 4575-2采場(chǎng)回采后塑性區(qū)分布

(2) 最小主應(yīng)力在2 MPa左右，最大值9.9 MPa，頂?shù)装寰植康囟纬霈F(xiàn)了拉應(yīng)力，最大值為-2 MPa，超過了圍巖的抗拉強(qiáng)度，采場(chǎng)間柱發(fā)生破壞;

(3) 采場(chǎng)兩幫位移隨著采場(chǎng)回采不斷增加，最大值為60 mm;

(4) 4575-2采場(chǎng)回采后采場(chǎng)上盤出現(xiàn)明顯塑性區(qū)，局部地段巖石破壞，出現(xiàn)開裂，隨著開采的繼續(xù)向下，塑性區(qū)范圍越來越大，采場(chǎng)上下盤破壞明顯。

3 空區(qū)處理方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地壓測(cè)量以及數(shù)值模擬分析，同時(shí)引入隱患資源開采和空區(qū)處理協(xié)同技術(shù)，對(duì)該礦山的采空區(qū)提出了相應(yīng)的處理措施。

采空區(qū)協(xié)同利用的基本模式包括：作為開采空間利用；作為轉(zhuǎn)換空間利用；作為卸荷空間利用。對(duì)于該礦山來說，圍巖最大主應(yīng)力都集中在采場(chǎng)四周端角處，主應(yīng)力最大值4757中段內(nèi)為72 MPa，超過了圍巖的抗壓強(qiáng)度(炭質(zhì)板巖49.4 MPa、砂巖25 MPa)，7號(hào)勘探線最大主應(yīng)力為46 MPa，超過了砂巖的抗壓強(qiáng)度。最小主應(yīng)力超過了圍巖的抗拉強(qiáng)度(炭質(zhì)板巖-1.8 MPa、砂巖-1 MPa)，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在空區(qū)端角，礦柱的臨空面?？梢钥闯鰬?yīng)力主要集中在礦柱部位，由于礦體較破碎，礦柱在應(yīng)力作用下出現(xiàn)了潰屈破壞，空區(qū)頂板處于極限平衡狀態(tài)，極易發(fā)生礦柱破壞，頂板突然冒落的地壓災(zāi)害發(fā)生[5]。

該礦山采空區(qū)的處理可以考慮回收礦柱后，誘發(fā)空區(qū)頂板自然冒落，達(dá)到卸荷并形成空區(qū)內(nèi)廢石墊層的目的[6]，同時(shí)距離地表較近的空區(qū)可以作為廢石的地下堆場(chǎng)，采用目前礦山地表堆存的廢石充填采空區(qū)，既起到了形成廢石緩沖墊層，防止圍巖大面積冒落造成災(zāi)害的發(fā)生，從而起到空區(qū)處理的作用，又消耗部分地表廢石，減少廢石壓占地表造成土地資源的破壞，盡可能降低了礦山開采對(duì)環(huán)境的破壞。

該礦山最后采取的方案是：礦體較厚且礦柱較為完整的地段，采用回收礦柱誘發(fā)上盤圍巖自然冒落充填空區(qū)形成緩沖墊層，部分上盤較穩(wěn)固不能自然冒落的地段采取人工強(qiáng)制崩落上盤圍巖的方法；礦體較薄且近地表的空區(qū)采取地表廢石充填的方法處理[7]。

4 結(jié) 論

通過對(duì)該礦山采用phase2數(shù)值模擬軟件分別建立了某礦山4575 m中段平面和7號(hào)勘探線剖面兩個(gè)數(shù)值分析模型，對(duì)采場(chǎng)開采過程中圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)合礦山地壓監(jiān)測(cè)情況提出了該礦山目前已形成采空區(qū)礦體較厚地段采用回收礦柱誘發(fā)上盤圍巖自然冒落(部分上盤較穩(wěn)固不能自然冒落的地段須采取人工強(qiáng)制崩落上盤圍巖)充填空區(qū)形成緩沖墊層，礦體較薄且近地表的空區(qū)采取地表廢石充填的處理方案。方案采用了空區(qū)處理和隱患資源開采協(xié)同處理技術(shù)，在處理空區(qū)的同時(shí)回收部分礦柱，并把采空區(qū)作為廢石排棄場(chǎng)堆存了一部分地表廢石；同時(shí)，在回收部分礦柱、堆存部分廢石的同時(shí)處理了采空區(qū)。把空區(qū)作為卸荷空間以及轉(zhuǎn)換空間來利用，使隱患資源開采和空區(qū)處理問題作為一個(gè)統(tǒng)一的目標(biāo)得到了良好的解決。

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2013-09-24)

張 偉(1981-),男,甘肅白銀人，工程師,學(xué)士,主要從事采礦設(shè)計(jì)及采礦方法研究的工作,Email：36570219@qq.com。